生命觀念：細胞水平“進化與適應觀”例舉

孫堅

[摘???要]生命觀念是生物學學科核心素養的重要維度之一，而“進化與適應觀”則是生命觀念的重要內容。從細胞水平“形態與功能的適應”“面積與體積的適應”及“吞噬與共生的適應”等三個視角對進化與適應觀進行分析，以增強學生對進化與適應觀的認識，促進學生建立生命觀念，形成學科核心素養。

[關鍵詞]生命觀念;細胞水平;進化與適應觀

[中圖分類號]????G633.91????????[文獻標識碼]????A????????[文章編號]????1674-6058（2019）35-0083-02

生物學是自然科學的一個門類，其特殊性在于研究對象具有不同于其他事物的特征——生命。可以說，理解生命的本質是中學生物課程的基本教育價值。具體來說，生命觀念涵蓋系統觀、生態觀和進化觀三方面的內容，而細胞水平的“進化與適應觀”則是進化觀的重要體現。

一、形態與功能的適應

【事實】人體內的細胞在形態大小上有很大區別：①人體的紅細胞為圓盤狀;②人體的肌肉細胞為長梭形;③人體的白細胞呈不定形狀態;④人體的神經細胞伸出許多突起;⑤人體的卵細胞是體積最大的細胞;⑥人體的精子很小，具有長長的尾巴。

【分析】①人體的紅細胞為兩面凹的圓餅狀，有利于其運輸氧氣和二氧化碳;②人體的肌肉細胞為長梭形，有利于細胞的收縮和舒張;③人體的白細胞呈不定形狀態，有助于行使運動功能;④神經細胞發出的許多突起，有助于接受刺激、產生和傳導興奮;⑤人體的卵細胞體積大，細胞質中含有較豐富的營養物質，能夠在胚胎發育的初期為胚胎分裂提供充足的營養;⑥人體的精子很小，具有長長的尾巴，對于其游到輸卵管與卵細胞結合完成受精作用是有利的。

【思考】不僅是人體，構成其他生物體的細胞也多種多樣，為什么？

【分析】以人體成熟的紅細胞為例，紅細胞除形態特殊外，還有兩個典型的特點：一是線粒體退化，二是細胞核消失。為了有助于氧氣的運輸，紅細胞內充滿血紅蛋白與氧氣結合，細胞呈兩面凹陷的圓餅狀，有助于氣體交換更為迅速地完成。線粒體退化可以減少運輸過程中氧氣的消耗。細胞核消失不但減輕細胞的沉重負擔，而且降低代謝速率，有助于提高氣體的運輸效率。此外，在植物方面也有類似的例證，如植物葉表皮的保衛細胞呈半月形，可以形成氣孔，有利于控制水分的散失。

【結論】細胞的形態與功能是相適應的，它們的相關性和一致性是很多細胞的共同特點，細胞的特定形態決定了其特定的功能。

二、面積與體積的適應

【思考】生物界的細胞雖然大小各異，但細胞的大與小是相對的。那么，細胞可不可以無限增大或縮小呢？

【計算】為了便于問題的分析，我們嘗試構建一個細胞的理想模型。假設構成生物體的細胞是球形的，它的半徑是r，請你利用表面積公式（[S=4πr2]）和體積公式（[V=43πr3]）分析兩者之間的關系。

想一想，隨著細胞半徑r的增大，表面積和體積哪一個增加得更快？

我們知道，細胞作為一個開放的生命系統，若想完成正常的生命活動就必然要和外界進行物質運輸、信息交流和能量轉化。那么，是體積大一些的細胞交換速率大，還是體積小一些的細胞交換速率更大呢？

顯然，細胞的體積達到一定程度，膜表面積就不適應物質的交換了。相反，當細胞的體積較小時，其表面積與體積的相對比越大，就越有利于物質進出細胞，有利于代謝效率的提升。

相對表面積=表面積/體積=?[4πr243πr3=3r]?。

【結論】從相對表面積公式可以清晰地看到，當細胞半徑r越小時，細胞的相對表面積就越大，越有利于物質、信息和能量的交流，有助于提高生命的代謝和運轉效率。

【例題】細胞會不會沒有限制地長大？當細胞的體積在逐漸變大時，表面積和體積的比值會呈現怎樣的變化？可通過以下方法模擬實驗（假設細胞是正方體）。

[正方體邊長

正方體表面積 正方體體積 比 值 1 2 3 4 ]

（1）完成上述表格的填寫。

（2）當正方體的體積增大時，表面積與體積的比值的變化規律是怎樣的？

（3）細胞是不能無限制長大的，這與表面積和體積之比的變化有何關聯？

答案：（1）（2）略;（3）當細胞的體積在逐步變大時，其表面積和體積的比值會變小，隨著細胞的逐漸生長以及體積的逐步增長，其需從外界吸收更多的營養物質，但吸收物質的表面積相對增加較少，并不能完全滿足細胞吸收營養物質的需要，進而細胞的生長就會受到一定限制，以致其不能無限制地長大。

三、吞噬與共生的適應

【現象】科學家驚奇地發現，真核細胞內的線粒體與某些原核的好養細菌有很多相似的地方。而真核細胞內的葉綠體與原核的光合藍細菌有很多的相似之處。其證據是：①線粒體和葉綠體內含有的遺傳物質與細菌相似，都是環狀的DNA分子;②線粒體和葉綠體內含有的細胞器與細菌相似，都僅含有相似的核糖體;③線粒體和葉綠體的增殖方式與細菌相似，都以二次分裂的方式進行增殖;④線粒體、葉綠體的內膜和外膜在性質和成分上存在明顯的差異：內膜性質和成分與細菌細胞的膜相似;外膜性質和成分與真核細胞的膜相似。

【思考】從生物進化的觀點來看，根據①②③的描述你會想到什么？根據④的描述，你認為真核細胞是如何演化發展而來的？

【分析】根據①②③的描述，可以初步得到線粒體和葉綠體兩種細胞器可能由原核細菌進化而來的結論。如果結論成立，那么這兩種細胞器是如何進入真核細胞內并與其穩定存在的呢？我們不妨從三個角度進行思考：一是真核細胞主動以原核細胞為食，通過吞噬將線粒體、葉綠體攝入體內，后來因某種原因相安無事、互利共生;二是原核細胞以真核細胞作為宿主，主動出擊進而俘獲真核細胞，后因某種原因相安無事、互利共生;三是偶然事件，原核細胞在真核細胞內“安家”，后因某種特殊原因相安無事、互利共生。這就是生物科學史上?“內共生學說”的由來。

【拓展】借著真核細胞是由原核細胞進化而來的思想，不妨思考一下細胞核的起源。不同教材對細胞核的論述不同，有的認為細胞核是一種特殊的細胞器，有的認為不是。那么，從進化的角度看，你能大膽猜想一下細胞核可能的起源情況嗎？

一種假說認為，原核細胞膜在吞噬物質的過程中，膜向內凹陷折疊，初步形成內質網膜，內質網膜接近擬核區的部分進一步特化，與核物質共存，進而形成包被核物質的核膜，從而由擬核演化為細胞核。你認為這個假說是否合理，請給出你的理由。

【例題】（節選）古生物學研究學者推測：被原始真核生物吞噬的藍藻有一部分并未被消化，相反，其還能依靠原始真核生物的“生活廢物”制造一定的營養物質，并逐步進化成葉綠體。

（1）如圖中所示，被吞噬的藍藻和原始真核生物間的種間關系是__________________，原始真核生物吞噬某些生物具有選擇性與其細胞膜上的___________（物質）有關?。

答案：（1）捕食和互利共生;蛋白質。

（責任編輯 黃春香）